优化径流控制：绿色雨水基础设施的降温协同效益——来自高密度住宅区的见解

《Sustainable Cities and Society》：Optimizing Runoff Control – Cooling Co-Benefits of Green Stormwater Infrastructure: Insights from High-Density Residential Areas

本研究通过模拟南京高密度住宅区不同海绵设施组合（GR+BC、PP+BC、GR+PP+BC）的暴雨管理效能，结合ENVI-met微气候模型分析热环境响应。结果表明PP+BC组合在降低地表温度（最高2.75℃）和生理等效温度（最高1.79℃）方面效果最优，同时实现90%的径流削减。研究揭示渗透铺装比例与热效能正相关，而高密度建筑下硬质地表会削弱降温效果。通过成本效益分析发现，PP+BC组合每百万美元投资可降低2.34℃地表温度，且兼顾暴雨管理需求。该成果为高密度城区海绵设施协同设计提供量化依据。

　　

徐海顺|吴尚轩|叶阳峰|秦新华|张攀

南京林业大学景观建筑设计学院，中国南京

摘要

随着全球气候变化和快速城市化的挑战，城市越来越容易受到极端环境事件的影响，如城市洪水和热浪。在这种情况下，绿色雨水基础设施（GSI）因其有效缓解径流的能力而在城市规划中得到了广泛应用。然而，不同类型的GSI（如生物滞留池（BC）、透水铺装（PP）和绿色屋顶（GR）在提供城市降温效益方面的作用，以及它们组合如何优化这些效益，仍需进一步研究。本研究评估了在中国南京一个高密度、高层住宅区中三种GSI组合在不同径流控制能力下的降温效果。所有测试的GSI组合（GR + BC、PP + BC、GR + PP + BC）在白天显著降低了周围环境温度。值得注意的是，PP + BC组合展现了最高的综合效益潜力，实现了90%的径流减少，并使表面温度降低了多达2.75°C，生理等效温度降低了多达1.79°C。进一步分析影响这些综合效益的因素发现，虽然增加透水表面的比例可以增强降温效果，但不透水表面的比例会对GSI的降温性能产生负面影响。从成本效益角度来看，PP + BC组合取得了最佳的降温效果，每投入100万美元可降低2.34°C的温度，同时保持了良好的径流控制能力。这些发现突显了GSI在水文和微气候方面的综合效益，并为气候适应性城市设计和高密度社区的可持续更新提供了实用见解。

引言

雨水洪水和热浪是两种因城市化和气候变化而加剧的气候灾害（Fischer & Knutti, 2015; IPCC, 2023）。快速城市化用不透水表面取代了自然地表，导致了严重的环境问题，例如城市热岛效应——即与农村地区相比，密集建筑区的环境温度升高（Imroz et al., 2025; Larsen et al., 2016; 美国环境保护署 [EPA], 2021）。与此同时，持续的气候变化带来了更频繁和极端的天气事件，如不规则洪水、热浪和冬季风暴，这些事件常常超出现有排水系统的处理能力，导致突发性洪水（Oke, 1982; Qian et al., 2022）。这些挑战在受季风影响的潮湿亚热带地区尤为严重，尤其是在高密度住宅区，热暴露和雨水洪水可能同时发生（例如，巴西的圣保罗；中国的上海；美国的休斯顿；南非的德班）（Beck et al., 2023; Imroz et al., 2025; Sui et al., 2024）。这些灾害的共存直接影响了公众的日常生活和健康，尤其是老年人、儿童和有基础疾病的人群（Ma et al., 2019; Oh et al., 2023; Pappalardo et al., 2023）。由于这些灾害经常同时发生并相互叠加——过热威胁健康，而极端降雨又给排水基础设施带来压力，城市越来越需要多功能解决方案来同时缓解热力和水文风险。

在这种背景下，绿色雨水基础设施（GSI）因其在管理雨水方面的能力而受到城市规划的青睐，它通过改变径流生成、延迟和重新分配水流、增强渗透和蒸散发，以及将不透水表面与传统的排水网络分离来发挥作用（Taguchi et al., 2020; Yan et al., 2024）。常见的GSI类型，如绿色屋顶、透水铺装、生物滞留池、雨水花园和人工湿地，已被证明可以减少峰值径流、增强渗透并改善水质，即使在极端条件下也是如此（Prudencio and Null, 2018; Yan et al., 2024）。与传统的灰色基础设施相比，后者通过集中式排水系统快速排放径流，常常导致污染物负荷（Wang et al., 2023），GSI强调分散式的径流控制和非点源污染减少（Mei et al., 2018; Zamani et al., 2023）。因此，它为雨水管理提供了更可持续的解决方案，并在全球规划实践中得到广泛应用。例如，美国的低影响开发（Low Impact Development）、英国的可持续城市排水系统（Sustainable Urban Drainage Systems, SuDS）、澳大利亚的water-sensitive urban design以及中国的海绵城市计划（Sponge City Program）都是要求实施GSI以进行雨水管理和可持续城市发展的国家指导方针（dos Santos et al., 2021; Hou et al., 2019; Rentachintala et al., 2022; Yang et al., 2021）。

此外，由于GSI改变了植被覆盖、土壤湿度和表面材料特性，它还可以影响社区的热环境，从而产生雨水降温的综合效益（Antoszewski et al., 2020; Kasprzyk et al., 2022）。GSI提供的降温效果通常归因于三个主要机制：保留水分的蒸发和蒸散发冷却、通过保水基质和底层储存介质增强的热储存和缓冲作用，以及由于植被覆盖和表面材料特性改变的辐射和对流热交换（He et al., 2019; Marando et al., 2022; Wang et al., 2022）。然而，不同研究和不同类型的GSI报告的降温效果存在显著差异，这反映了结果指标（从物理环境指标如空气/表面温度和平均辐射温度到综合热生理指数如通用热气候指数和生理等效温度）、空间和时间尺度以及城市环境的差异（Chen et al., 2025; Li et al., 2025; Shimazaki et al., 2022; Sobhaninia et al., 2025）。此外，降温响应还受到其他因素的影响，包括城市形态（例如街道峡谷几何形状和建筑高度，这些因素影响辐射捕获和垂直耦合）以及控制蒸散发潜力的湿度/维护制度（Joshi and Teller, 2024; Rawat and Singh, 2022; Shimazaki et al., 2022; Y. Zhang et al., 2020）。因此，文献记录了多种GSI类型的降温效果，但其幅度和主导路径取决于具体环境和指标（Nwakaire et al., 2020; Sobhaninia et al., 2025; G. C. Zhang et al., 2020）。例如，生物滞留池通过保持土壤湿度和植被驱动的蒸散发，在径流捕获事件后表现出稳定的降温性能（Kasprzyk et al., 2022; Sun et al., 2024）。作为非植被GSI类别的一部分，透水铺装（如透水沥青、透水混凝土和互锁铺路石）在地下水分允许蒸发的情况下可以实现表面降温，尽管其效果因太阳辐射、铺装结构和材料特性而异，据报道在城市街道上的表面温度降低范围为1.93°C至3.41°C，在高光照的开放实验空间中约为15°C（Faragallah and Ragheb, 2022; Shimazaki et al., 2022; Wang et al., 2022）。绿色屋顶的效果也类似：虽然绿色屋顶可以通过蒸散发和植被遮荫减少屋顶和行人的热量，但其效果受建筑高度、灌溉和维护强度的影响，在干燥条件下，根据使用的热指标，其效果可能不如高反照率屋顶策略（Chen et al., 2025; Joshi and Teller, 2024; Rawat and Singh, 2022; Virk et al., 2015）。总体而言，现有研究支持GSI降温的可行性，同时也表明降温性能取决于具体环境和设计。

尽管关于GSI降温的证据越来越多，但仍存在一个关键限制：大多数GSI研究将雨水性能和热效应视为独立的评估领域，导致对耦合水文-热性能和多功能性的理解有限（Kasprzyk et al., 2022; Shimazaki et al., 2022; Sobhaninia et al., 2025）。这种分离很重要，因为GSI的主要降温途径——特别是蒸散发和蒸发冷却——直接受到水资源可用性的影响，而水资源可用性又受到雨水捕获目标和GSI元素空间配置的影响。实际上，GSI主要是通过组合多种设施类型来实现的，以满足特定的水文性能要求（例如，所需的捕获量、径流控制目标或排放限制）。这些要求通常通过基于目标的框架在全球范围内实施，例如美国城市的基于深度的滞留/捕获目标（例如，费城为1.5英寸；华盛顿特区的第90百分位事件约为1.2英寸）（Fitzgerald & Laufer, 2017; Brears, 2018），英国/欧洲SuDS指导中的绿地径流率/量限制（Pachouri et al., 2025），以及中国海绵城市计划下的径流控制率（RCR）要求（Hou et al., 2019）。然而，由于热效应很少与水文目标或实际空间条件下的GSI组合配置相关联进行评估，因此尚不清楚降温响应如何随着雨水控制能力的不同而变化，哪些GSI类型组合能产生最有利的水雨协同效应，以及在哪里可能出现权衡，这进一步阻碍了多功能目标在GSI规划中的整合。此外，长期的多功能性能受到维护要求和经济可行性的强烈影响，但生命周期成本和维护考虑往往没有充分纳入GSI对雨水-热效益的综合评估中（Bista et al., 2025; Rawat and Singh, 2022; Suresh et al., 2023）。这些研究空白在规划实践中也有体现：尽管减轻热量和雨水管理的综合效益通常是推广绿色基础设施的常见动机，但这些综合效益很少转化为多个治理环境中的操作选址标准或实施优先级，包括中国、美国和德国（Brüggemeier et al., 2025; Hoover et al., 2023; 中国住房和城乡建设部 [MOHURD], 2014）。声明的多功能目标与实际实现性能之间的不一致可能会削弱公共投资在GSI上的有效性，并限制其长期减少复合气候灾害的能力（Rawat and Singh, 2022）。

因此，本研究旨在通过模拟不同的GSI组合方案来解决上述问题，这些方案满足不同的雨水控制目标，并使用ENVI-met微气候建模和多种与热相关的指标来评估其降温效果。此外，还探讨了地表特征如何影响GSI配置提供耦合水文-热效益的能力，并比较了不同组合的生命周期成本（LCC）和成本效益，以认识到持续性能取决于长期维护（Rawat and Singh, 2022）。两项研究问题指导了本研究：

(1)

不同的绿色雨水基础设施（GSI）组合如何影响高密度住宅区的热性能？

(2)

地表特征如何影响GSI提供耦合水文-热效益的能力？

通过回答这些问题，本研究阐明了GSI组合构成和雨水控制目标如何影响社区规模的热效应及其成本效益，为多功能GSI的实施提供了实用证据。

方法

本研究评估了为不同级别的雨水径流控制设计的各种绿色雨水基础设施（GSI）组合的降温效果。方法包括四个部分。首先，根据研究地点的地表特征，设计了GSI组合和配置（即GSI设施的位置和排列），以满足中国海绵城市计划要求的不同的年度径流控制率（RCRs）。

时间变化

在220个模拟样本中，所有三种GSI组合在各个RCR目标水平上都产生了低于基线方案的温度，显示出可测量的降温效果（图4）。然而，不同组合之间的降温幅度差异显著，其中PP + BC组合在表面温度（ST）方面的降温效果最强且最持久，15:00时的峰值?ST为?2.47°C。GR + PP + BC组合的表现类似，而GR + BC的组合仅表现出边际效果

GSI组合在降温效果上的差异

本研究发现，GSI组合可以在一天中的大部分时间内提供降温效果，有效改善了高层住宅区常见的铺装和草坪的热舒适度。GSI与温度变化之间的负相关性与先前的研究结果一致，支持了GSI在行人层面增强蒸发冷却的假设（Yan et al., 2023）。

组合之间的温度变化表明，透水铺装

结论

快速城市化和气候变化加剧了雨水管理和热应力的双重挑战，特别是在以开放高层建筑为主的高密度住宅区（LCZ 4）。本研究评估了不同绿色雨水基础设施（GSI）组合——绿色屋顶（GR）、透水铺装（PP）和生物滞留池（BC）——在不同径流控制率（RCRs）目标下的协同水文和热效益。

未引用的参考文献

美国环境保护署 2019, Zhang et al., 2020, Zhu et al., 2023

CRediT作者贡献声明

徐海顺：写作——审阅与编辑、验证、监督、资源、方法论、正式分析、概念化。吴尚轩：写作——审阅与编辑、初稿撰写、可视化、验证、软件、方法论、调查、正式分析、数据管理。叶阳峰：资源。秦新华：资源。张攀：写作——审阅与编辑、监督、方法论。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。